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哈工大—FLUKE電工聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室可行性報告

一、立項(xiàng)依據(jù)（現(xiàn)有優(yōu)勢及存在的問題）

2007年11月，哈工大電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心被評為“國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心”，同時中心所承擔(dān)的“電工電子實(shí)驗(yàn)系列課程”于2010年10月被評為“國家級精品課”。經(jīng)過近幾年的建設(shè)，電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的軟硬件條件已經(jīng)得到了很大的提高，取得了不小的成績，也得到了國內(nèi)兄弟院校同行們的認(rèn)同。經(jīng)考察，中心的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺的管理思想和軟件水平已經(jīng)處于國內(nèi)兄弟院校的前列。然而由于建設(shè)投入的不平衡，有些實(shí)驗(yàn)室的硬件水平距離國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心驗(yàn)收的需求還存在著一定的差距。中心目前共有8個實(shí)驗(yàn)室，其中有3個國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，分別是“哈工大-安捷倫電子學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”，“哈工大-巖崎電子學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”和“哈工大-松下電工PLC控制技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”，各個聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備技術(shù)都很先進(jìn)，性能優(yōu)良。

近年來，電工技術(shù)測量方式和手段發(fā)生了很大的變化，在研究所和工業(yè)領(lǐng)域開始大量使用電能質(zhì)量分析儀來替換傳統(tǒng)的電流表、電壓表、功率表等設(shè)備，出了能夠測量這些常用的物理量之外，電能質(zhì)量分析儀還可以進(jìn)行分析、計算和存儲，大大豐富了測量的內(nèi)容和深度。我校學(xué)生以“工程實(shí)踐能力強(qiáng)”著稱，因此，我校研究生在校期間有必要接觸到這些先進(jìn)的測量手段和方法，在此方面得到必要的訓(xùn)練，進(jìn)一步提高學(xué)生的動手能力，盡早接觸到先進(jìn)的測試設(shè)備和手段，以便將來在進(jìn)入研究應(yīng)用領(lǐng)域的時候，能夠很快的進(jìn)入角色。

為了彌補(bǔ)我們自身的不足，進(jìn)一步改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，提高電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的整體水平，中心積極與國際知名電能測量儀器生產(chǎn)企業(yè)Fluke公司，就哈工大-Fluke電工技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的建立進(jìn)行了磋商和討論，雙方達(dá)成了建立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的意向，并盡可能把儀器價格做到最低，為我校爭取到盡可能多的空間和利益，使在校學(xué)生能用到更好的福祿克儀器，提升我校整個電路理論和電工技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的水平。

通過哈工大-Fluke電工技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，打造一個高級電工技術(shù)實(shí)踐基地?；亟ㄔO(shè)完成后將服務(wù)于本科生“電工電子實(shí)驗(yàn)系列課程”，每年接待本科生3000人進(jìn)行全開放式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

本項(xiàng)目擬建設(shè)哈工大-Fluke本科生高級電工技術(shù)實(shí)踐基地，開展本科生高級電工技術(shù)實(shí)驗(yàn)課方面的工作。本基地的目標(biāo)是建設(shè)一個基于Fluke 434Ⅱ三相電能質(zhì)量分析儀的高級電工技術(shù)應(yīng)用型實(shí)踐平臺。

本實(shí)踐基地建設(shè)時間為2012年7月份至2013年7月份。2012年主要進(jìn)行基地建設(shè)方案編寫、論證、設(shè)備的詢價及儀器設(shè)備采購；2013年主要進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的建設(shè)，儀器設(shè)備使用教學(xué)課件的制作，并進(jìn)行設(shè)備調(diào)試、運(yùn)行。

本實(shí)踐基地建成后將工業(yè)場合常用的工業(yè)級三相電能質(zhì)量分析設(shè)備引入本科生實(shí)踐教學(xué)，為本行業(yè)提供前瞻性可操作實(shí)踐平臺。

二、建設(shè)的意義及必要性

哈工大-Fluke高級電工技術(shù)實(shí)踐基地的建立，將使我校的電路理論、電工技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以及電力電子、電氣傳動、電力系統(tǒng)、電機(jī)與電器等專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)，無論在電路的測量方式、方法還是在更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等各方面將產(chǎn)生革命性的變化與提升，使我校在該學(xué)科領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平居全國高校領(lǐng)先地位。對我校學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握先進(jìn)科學(xué)儀器和測量方法、學(xué)習(xí)更加豐富的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以及創(chuàng)新學(xué)習(xí)等有著重要意義。

這些儀器的獲得，將完全改變了傳統(tǒng)的電路實(shí)驗(yàn)的測量方式，不受指針式儀表量程的限制，可增加大量的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，供學(xué)生選作或多做。由于該儀器電壓、電流測量范圍寬，測量項(xiàng)目全面，并可以觀測示波器無法觀察的波形，使其開發(fā)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)成為可能。該儀器必將在創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)揮重要作用。對于在高電壓、大電流實(shí)驗(yàn)條件下學(xué)生的人身安全也有了根本性的保證。這些儀器將有非常高的使用率。每年有約3000名電氣工程專業(yè)的本科生和本碩連讀學(xué)生，使用該工程實(shí)踐平臺。

Fluke公司與我校共建工程實(shí)踐教學(xué)平臺一方面是由于我校在國內(nèi)高校中的重要地位，尤其是在工科院校中的地位。另一方面是由于我校電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心為國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，中心的電工電子實(shí)驗(yàn)課程為國家級精品課程，在我校建立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，將對全國高校產(chǎn)生重要影響，中心新開出的電路實(shí)驗(yàn)將對全國其他高校產(chǎn)生引領(lǐng)和示范的作用。這也是一直偏重于工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的Fluke公司在我國高校中建立的第一個聯(lián)合實(shí)踐基地，意義重大。

三、主要建設(shè)內(nèi)容及方案

為了加強(qiáng)應(yīng)用型工程技術(shù)人才實(shí)踐能力的培養(yǎng)，建設(shè)哈工大-Fluke本科生高級電工技術(shù)實(shí)踐基地，主要是對電工技術(shù)實(shí)驗(yàn)室原有的電工測量儀表進(jìn)行升級改造，通過和Fluke公司的共同建設(shè)，建設(shè)以Fluke三相電能質(zhì)量分析儀為主要設(shè)備的高級電工技術(shù)應(yīng)用型實(shí)踐平臺。具體建設(shè)內(nèi)容如下：

1. 通過購置Fluke三相電能質(zhì)量分析儀設(shè)備，搭建高級電工技術(shù)實(shí)踐平臺。

購置數(shù)量：42臺。

功能說明：電能量損失分析器：量化了傳統(tǒng)的有功功率和無功功率測量、不平衡和諧波功率，便于用戶準(zhǔn)確確定按貨幣計算的真實(shí)系統(tǒng)電能量損失。功率逆變器效率：同時測量電力電子系統(tǒng)的交流輸出功率和直流輸入功率（選擇直流電流鉗），可以測試直流供電系統(tǒng)。自動趨勢分析：每次測量會自動記錄。記錄儀功能：可配置任何測試條件，可按用戶定義的間隔記錄最多600個參數(shù)。

可記錄參數(shù)為電壓、電流、頻率、驟升與驟降、諧波、功率和能量、電能量損失分析、不平衡、監(jiān)測、浪涌電流、功率逆變器。

（1）電壓輸入：4（三相+中性）直流耦合、1000Vrms，電壓范圍1-1000V可選，最大峰值測量電壓6KV（瞬變模式），輸入阻抗：4MΩ/5pF，帶寬大于10kHz,瞬變模式最大100kHz，縮放比例：1:1、10：1、100:1、1000:1、10000:1

（2）電流輸入：4（三相+中性）直流或交流耦合，根據(jù)測試電流標(biāo)配交流電流鉗（i5S）,測試電流量程10mA-6A，輸入阻抗：1MΩ，帶寬大于10kHz,縮放比例：1:1、10：1、100:1、1000:1、10000:1

（3）采樣系統(tǒng)分辨率：8通道均為16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，最高采樣速度為每個通道同時200kS/s，RMS采樣根據(jù)IEC61000-4-30.10/12周期內(nèi)采樣500次，PLL同步根據(jù)IEC61000-4-7，10/12周期內(nèi)采樣4096次，額定頻率為50或60Hz

（4）顯示模式：波形顯示、矢量圖、儀表讀數(shù)、趨勢圖、柱狀圖、時間列表。

（5）測量模式：示波：4個電壓波形、4個電流波形，Vrms、Vfund、Arms、Afund、光標(biāo)處電壓、光標(biāo)處電流、相角電壓、電流和頻率暫升和暫降：Vrms1/2,Arms1/2。

2. 進(jìn)行基于三相電能質(zhì)量分析儀的新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容開發(fā)。

原有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容擴(kuò)展：

（1）實(shí)驗(yàn)名稱：交流電路的測試

現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：通過電壓表、電流表、功率表測量值計算電路參數(shù)R、L、C和功率因數(shù)。

增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：測量被測量的有效值和相位，直接寫出電壓、電流的相量表達(dá)式。測量有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)，并根據(jù)實(shí)際電路進(jìn)行分析。觀測電壓電流波形、波形失真因數(shù)。觀測電壓、電流的相量圖。測量結(jié)果更直接，更易于理解，與電路理論聯(lián)系更緊密。

（2）實(shí)驗(yàn)名稱：三相電路的測量

現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：通過電壓表、電流表、功率表測量三相電壓、三相電流、有功功率。

增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：測量相序。測量三相有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、用電量。觀測三相電壓電流波形、波形失真因數(shù)。觀測電壓、電流的相量圖，不平衡相量圖。諧波變化波形，諧波有功、無功功率。

實(shí)驗(yàn)中不會出現(xiàn)因?yàn)橹羔樖絻x表的連線錯誤、量程選錯等原因，出現(xiàn)儀表爆炸、學(xué)生觸電等事故。

（3）實(shí)驗(yàn)名稱：日光燈參數(shù)測量與控制特性的研究

現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：通過電壓表、電流表、功率表測量電路電壓、電流、有功功率，計算功率因數(shù)。

增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

測量有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、用電量。

觀測電壓電流波形、波形失真因數(shù)。

觀測電壓、電流的相量圖。

測量并記錄諧波波形、振幅頻譜圖。

測量直流分量、各次諧波占百分比、總諧波失真。

測量諧波有功功率、無功功率、視在功率。      

測量有功能量、無功能量、視在能量。

實(shí)驗(yàn)中可進(jìn)行屏幕截圖，實(shí)驗(yàn)波形可以隨時保存、并拷貝，便于學(xué)生課后對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

新開發(fā)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：

（1）實(shí)驗(yàn)名稱：裂相電路——利用單相工頻交流電實(shí)現(xiàn)對稱三相電壓

     本實(shí)驗(yàn)旨在將單相交流電源（220V/50Hz）分裂成相位差為120°對稱的三相電源，三相輸出空載時電壓有效值相等，為110×（1±2%）；相位差為120°×（1±2%）。

在保持電流之間相位差一定時，可使三路電壓成對稱三相電壓?；谌嚯娔苜|(zhì)量分析儀，可直觀地顯示出三條支路的電流相量，直接顯示電流之間、三路電壓之間的相位差，從而確定對稱三相電源獲得的條件。

（2）實(shí)驗(yàn)名稱：磁化電流畸變

 當(dāng)磁通為正弦波時，由于磁飽和的影響，使得電流成為尖頂波。由于其正、負(fù)半波對稱，因此不含偶次諧波。在所有的奇次諧波中，以三次諧波為最大，其它次諧波較小，可忽略不計。鐵心愈飽和，電流波形的畸變就愈嚴(yán)重，三次諧波就愈顯著，基于三相電能質(zhì)量分析儀，可觀測到各次諧波的變化規(guī)律。

（3）實(shí)驗(yàn)名稱：利用負(fù)電阻實(shí)現(xiàn)LC電路等幅振蕩現(xiàn)象

采用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)負(fù)電阻的變換原理，利用負(fù)電阻觀看LC電路的等幅振蕩現(xiàn)象。由于電感線圈自身的電阻影響，用LC電路并不能真正觀看到等幅振蕩，因此采用負(fù)電阻的方法將電感L的自身電阻平衡濾掉，便能觀看自由振蕩的過程。通過調(diào)節(jié)電阻R1，觀看，通過調(diào)節(jié)負(fù)電阻值，利用三相電能質(zhì)量分析儀觀看端口電壓、電流及電容和負(fù)電阻變換器與線圈串聯(lián)電壓的相位關(guān)系，便能調(diào)節(jié)到等幅振蕩的狀態(tài)。

（4）實(shí)驗(yàn)名稱：電路諧波參數(shù)的測量與分析

非正弦周期電流電路是電路課的重要內(nèi)容，但這部分內(nèi)容比較抽象，學(xué)生很難理解。現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)中由于受實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備等條件的限制，諧波波形、振幅頻譜和傅里葉展開結(jié)果只能利用仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀測。